某铁矿溜破系统地表预注浆效果评价
2016-06-02赵晓明宋世君高学通
赵晓明 宋世君 高学通
(华北有色工程勘察院有限公司)
某铁矿溜破系统地表预注浆效果评价
赵晓明宋世君高学通
(华北有色工程勘察院有限公司)
摘要矿山溜破系统包括溜井、上部矿仓、破碎硐室和下部矿仓，溜破系统预注浆工程区别于井筒，井上、井下工程分部的不规则性导致了其施工难度大，工程质量难以控制，因此在溜破系统开掘之前需对注浆效果进行评价。在井筒预注浆验收规范的基础上，结合帷幕注浆的评价方式，对注浆效果进行了综合评价，结果表明注浆效果满足了设计要求。
关键词地表预注浆溜破系统注浆效果
在矿山竖井建设过程中，由于受矿区地下水丰富或地层条件的影响，往往采用地表预注浆和冻结的施工形式解决此类问题，使掘进工作顺利进行。
目前，预注浆工程对单独竖井比较成熟，对溜破系统，由于其地下工程布置不规则，普通围堵的注浆方式很难满足其注浆效果。因此，需对注浆形式及注浆效果进行评价。以某铁矿溜破系统地表预注浆工程为例，进行了该注浆效果的综合评价。
1工程概况
1.1背景
某铁矿位于河北省沙河市白塔镇，属接触交代型铁矿床。矿体围岩为奥陶系中统石灰岩，岩溶裂隙发育，透水性强，矿区水文地质条件复杂。矿体基底为燕山期火成岩，火成岩与石灰岩接触带附近普遍发育着厚层矽卡岩化破碎地层，岩体完整性差、强度低，受矿山井巷工程掘进开掘扰动，极易导通上部灰岩地下水，造成工作面突水[1]。
该铁矿溜破系统为矿山井下开拓系统中的关键部分，为了保证溜破系统工作面掘砌时的正常施工，决定采用地表预注浆的施工方法治理地下水。
1.2地层概况
(1)第四系(Q)。矿区大部被第四系覆盖，以红褐色、黄褐色等杂色黏土为主，一般30～100 m，最厚可达264 m。施工场区第四系地层覆盖厚度比较均匀，为25～29 m，层底平均标高189.87 m。
(2)石炭二叠系(C-P)。矿区局部分布有石炭二叠系，岩性以泥岩、页岩、炭质页岩为主，厚度变化大。施工场区缺失该层。
(3)奥陶系(O2)。奥陶系中统为矿区地下水的主要赋存层位，全区皆有分布，主要为马家沟组石灰岩，岩性由青灰色中厚层致密灰岩、浅灰至灰白色白云质灰岩、角砾岩、角砾状灰岩及结晶灰岩等组成。施工场区揭露石灰岩总厚度约327.97 m，层底平均标高为-138.15 m。
受岩浆岩上侵的热蚀作用，石灰岩中广泛分布有厚度不均的矽卡岩破碎带和灰岩蚀变破碎带，该层物理力学性质差，遇水膨胀、崩解、易坍塌，岩芯以灰白色、浅黄色居多。施工场区矽卡岩破碎带分两部分：上部主要分布在81.87～57.50 m，厚度约9.60 m；下部分布在-3.13～-20.10 m，厚约16.80 m。蚀变灰岩破碎带厚度较大，分布在-138.12～-167.62 m，厚度约29.53 m。
(4)岩浆岩。岩浆岩体总体走向北北东，倾向南东。施工区由岩浆岩侵入形成的矽卡岩破碎带、蚀变闪长岩破碎带普遍存在，是矿体与奥陶系中统石灰岩的下卧层，主要矿物成分有辉石、角闪石、正长石等。
2工程施工概况
2015年6月11日—28日，完成钻孔18个，其中注浆孔15个，检查孔3个。钻孔布置见图1。完成主要工作量及材料用量见表1。
3注浆效果评价
该工程施工难度大，设计堵水率要求高(注浆堵水及固结后,溜破系统掘砌工作面涌水量小于10 m3/h)，工程按设计要求完成野外施工，但尚不具备井筒掘进后验证条件，现根据施工资料、检查孔检查结果等资料，综合评价注浆施工效果。
3.1叠加效应分析
前序孔的注浆影响了后序孔的注浆量(或地层透水性)，一般呈现出后序孔注浆量(或地层透水性)小于前序孔的趋势。
图1 钻孔平面位置(单位:m)
钻探/m注浆/m3注浆材料用量/t水泥膨润土水玻璃9199.1911586.343783.791207.6979.29
按注浆的先后顺序对各序孔的单位注浆量和单位透水率进行统计，注浆叠加效应见表2。
表2 叠加效应评价
注：百分比是与Ⅰ序孔相比。
从表2可以看出，各序注浆孔注浆量逐渐减小，叠加效应明显，说明浆液的搭接效果较好，注浆效果明显。
3.2频率曲线分析
将不同孔序注浆段的单位注浆量和注浆前的单位透水率划分到不同数据区间，以不同孔序在区间中所占比例规律来评价注浆效果。
根据各序孔注浆结果绘制的频率曲线见图2、图3。
图2 单位注浆量频率曲线
从图2可以看出，Ⅰ序孔86.67%的注浆段单位注浆量0.5～2.0 m3/m；Ⅱ序孔中92.30%的注浆段单位注浆量小于2.0 m3/m；Ⅲ序孔100%注浆段单位注浆量小于0.5 m3/m。
从图3可以看出，Ⅰ序孔中有26.67%的注浆段单位透水率大于1.0 Lu，单位透水率主要集中在0.3～1 Lu，占44.44%；Ⅱ序孔中96.15%的注浆段单位透水率小于1.0 Lu，且小于0.3 Lu的注浆段为50.00%；Ⅲ序孔注浆段平均透水率均小于1.0 Lu，小于0.3 Lu的注浆段占75%。
图3 单位透水率频率曲线
3.3涌水量评价
采取注浆后井筒涌水量预测方式，进一步评价注浆效果。选取最后施工的3#、8#、11#钻孔做检查，在三级压力下分别测定试验段单位透水率，根据压水试验资料，计算注浆后的井筒涌水量。
3.3.1井筒涌水量的计算[2]
按承压转无压(水位降至含水层底板)计算井筒涌水量：
(1)
(2)
式中，QJ为预计井筒涌水量，m3/d；K为含水层渗透系数，m/d；M为含水层厚度，m；H0为含水层静水位至含水层底板高度，m；R为水位降至含水层底板时的影响半径，m；rJ为井筒荒半径，m；Sw为含水层水位最大降深，m。
3.3.2计算渗透系数K
(3)
式中，rK为钻孔半径，m，取0.066 5 m；α为系数，当含水层厚度大于1/3L时，取α=1.32，当含水层厚度不大于1/3L时，取α=0.66；L为压水段高，m;W为压水试验参数。
3.3.3计算压水试验参数W[2]
(4)
式中，Q为压水流量，L/min；P为压水压力，换算成水柱高度，m。
利用3次压水数据计算，
(5)
(6)
(7)
(8)
式中，m为曲线判别参数。
利用m值判别Q～p曲线类型：m=1时，Q～p为直线，数学方程式为：Q=qp；1
根据上述计算公式及三点压水试验数据，计算出相应3段压水试验相关参数、渗透系数及预计井筒涌水量(见表3)。通过计算结果可知，检查孔试验段计算出井筒涌水量均小于10 m3/h，满足设计要求。
表3 井筒涌水量计算结果
4结论
通过叠加系数法、频率曲线法对注浆后涌水量计算,对溜破系统注浆效果进行综合评价，认为本工程浆液搭接良好，满足注浆量依孔序递减的规律，帷幕连续性满足要求,注浆后涌水量计算结果可知，注浆效果达到了设计要求。
参考文献
[1]宋世君.某矿业溜破系统地表预注浆工程报告[R].石家庄:华北有色工程勘察院有限公司，2015.[2]国家安全生产监督管理总局.MT/T 1058—2008立井井筒地面预注改性黏土水泥浆技术规范[S].北京：煤炭工业出版社，2009.
(收稿日期2015-09-03)
赵晓明(1979—)，男，工程师，050021 河北省石家庄市汇通路39号。
